题目内容
如图所示,竖直直角坐标系,第一象限有水平向左的匀强电场E1,第四象限有垂直于纸面向外的匀强磁场,且直线Y=—L下方处有竖直向下的匀强电场E2.质量为m的小球自A(0,L/2)处以v0的初速度水平抛出,小球到达B(L,0)处是速度方向恰好与x轴垂直.在B处有一内表面粗糙的圆筒,筒内壁与小球间的动摩擦因数为μ,筒直径略大于小球直径,筒长为L,竖直放置.已
知小球在离开筒以前就已经匀速,且离开筒后做匀速圆周运动,恰在D(0,-2L)处水平进入第三象限.求:
(1)E1∶E2是多少?
(2)在圆筒内摩擦力做功是多少?
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解:(1)(8分)在第一象限,水平方向小球做匀减速运动,
加速度大小为:a=
(1分)
由运动学公式,有:L=
at2 (1分)
竖直方向做自由落体运动,有:
=
gt2 (1分)
由①②得,a=2g (1分)
由牛顿第二定律可知,qE1=2mg (1分)
小球在第四象限的电磁场中做匀速圆周运动,应有电场力与重力平衡,即:
qE2=mg (2分)
故:E1∶E2=2∶1. (1分)
(2)(11分)设小球进入圆筒时的速度为v1,在第一象限,由运动规律有:
竖直方向:
=
t (1分) 水平方向:L=
t (1分)
解得:v1=
(1分)
小球在圆筒中做加速度减小的加速运动,当重力与摩擦力相等时,开始做匀速运动,设此速度为v2,由平衡条件,有:mg=μBqv2 (1分) 解得:v2=
(1分)
在第四象限的电磁场中做匀速圆周运动时,
洛伦兹力提供向心力,有:Bqv2=m
(2分) 解得,v2=
(1分)
从小球进入圆筒到离开圆筒,由动能定理,有: mgL+Wf=
mv
-
mv
(2分)
解之得:Wf=-[mgL(1-
)+
mv
] (2分)